專利名稱：用于電壓供給的電路布置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的用于供電的電路布置以及根據(jù)權(quán)利要求10的前序部分的用于產(chǎn)生供電電壓的方法。
在電池供電的系統(tǒng)中，在出現(xiàn)強烈的電池電壓波動情況中，常常有產(chǎn)生穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓或供電電壓的要求。電池電壓特別在機(jī)動車中強烈波動并且可能暫時地、例如在機(jī)動車的開始或發(fā)動過程中比所期望的供電電壓低。為了這個目的，用于基于電池的電壓供給的、包含一個或多個線性調(diào)節(jié)器的電路布置是常見的，它例如為傳感器、模擬電路部分以及微處理器產(chǎn)生精確并且穩(wěn)定的供電電壓，該供電電壓基本上沒有干擾的剩余波紋或所謂的“鱗紋(Rippeln)”。因為線性調(diào)節(jié)器基于其內(nèi)部構(gòu)造需要高于輸出電壓的輸入電壓，并且其損耗功率取決于在輸入電壓和輸出電壓之間的電位差以及輸出負(fù)載，所以在電池和線性調(diào)節(jié)器之間加入了開關(guān)調(diào)節(jié)器(Schaltregler)。開關(guān)調(diào)節(jié)器適合于低損耗功率地產(chǎn)生輸出電壓，該電壓可以明顯地高于或低于輸入電壓。然而其輸出電壓通常具有一定的剩余波紋，這樣它經(jīng)常不適合直接用于產(chǎn)生對此敏感的電路部分的供電電壓。
當(dāng)輸入電壓不但可以高于，而且也可以低于待由其產(chǎn)生的電壓時，使用開關(guān)調(diào)節(jié)器，它不但可以向上而且也可以向下調(diào)節(jié)。對此的例子是所謂的單端初級電感變換器(SEPIC)，反激變換器(Flyback-Wandler)以及反向變換器(Sperr-Wandler)。
用作一個或多個線性調(diào)節(jié)器的輸入電壓的開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出電壓為了將損耗功率最小化而被這樣調(diào)整，使得在線性調(diào)節(jié)器的輸入電壓和輸出電壓之間調(diào)節(jié)出盡可能低的電位差，例如大約1.5V。
線性調(diào)節(jié)器通常包括可控的、NMOS晶體管形式的負(fù)載元件，它被施加以開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出電壓，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制元件用于控制晶體管。晶體管被接入在開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出和一個或多個待供電的系統(tǒng)之間的負(fù)載電流通路中。晶體管的結(jié)構(gòu)尺寸很強地取決于其柵極—源極電壓。通常該控制元件以也在晶體管上的電壓被供給，由此線性調(diào)節(jié)器的柵極—源極電壓被限制并且確定最小的結(jié)構(gòu)尺寸。
開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出電壓也可以用于另外的、具有被施加以該輸出電壓的可控的負(fù)載元件的電路部分的供電。在此例如可以涉及電動機(jī)調(diào)節(jié)器，該電動機(jī)調(diào)節(jié)器通過大功率晶體管形式的負(fù)載元件以該輸出電壓被驅(qū)動。在此該大功率晶體管的最小結(jié)構(gòu)尺寸也很強地取決于其柵極—源極電壓。
本發(fā)明的技術(shù)問題是提供開始提及類型的電路布置和方法，它們可以以相對更小的花費實現(xiàn)并且能夠在低損耗線路中、特別也從具有明顯的電池電壓波動的電池中提供穩(wěn)定的供電電壓。此外值得期望的是，將使用的負(fù)載元件的結(jié)構(gòu)尺寸降低到最小限度。
本發(fā)明通過提供具有權(quán)利要求1的特征的電路布置以及具有權(quán)利要求10的特征的方法解決該問題。
根據(jù)本發(fā)明的電路布置包括一個開關(guān)調(diào)節(jié)器，它除了第一、被調(diào)節(jié)的電壓之外還產(chǎn)生第二、特別是未被調(diào)節(jié)的電壓，該電壓直接或間接地作為對于第一控制元件的供電電壓。該第一控制元件可以以該供電電壓不依賴于第一電壓地、這樣地調(diào)節(jié)對于負(fù)載元件的控制電壓，使得產(chǎn)生有利的效率并且降低該或這些負(fù)載元件的結(jié)構(gòu)尺寸。
在根據(jù)權(quán)利要求2的電路布置的一種改進(jìn)方案中第二電壓比第一電壓大。這能夠?qū)崿F(xiàn)以高于在負(fù)載電流路徑上的電壓的控制電壓來控制負(fù)載元件。
在根據(jù)權(quán)利要求3的電路布置的一種改進(jìn)方案中，可控的負(fù)載元件和第一控制元件構(gòu)成第一線性電壓調(diào)節(jié)器用于由第一電壓產(chǎn)生一個第三、被調(diào)節(jié)的電壓。這能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生具有小的剩余波紋的精確電壓而同時具有高的效率。
在根據(jù)權(quán)利要求4的電路布置的一種改進(jìn)方案中，開關(guān)調(diào)節(jié)器包括一個第二控制元件，以及第二電壓直接或間接用作其供電電壓。該第二控制元件例如可以用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的內(nèi)部控制并且可包含一個或多個比較器、鋸齒波發(fā)生器以及運算放大器。通過第二電壓的供電使得在低輸入電壓時開關(guān)調(diào)節(jié)器的啟動變得容易。
在根據(jù)權(quán)利要求5的電路布置的一種改進(jìn)方案中，電路布置包括一個第二、優(yōu)選的是線性的電壓調(diào)節(jié)器，它由第二電壓產(chǎn)生對于第一控制元件和/或第二控制元件的供電電壓。這在需要時能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生用于內(nèi)部供電的另外的精確的電壓。因為從第二電壓調(diào)節(jié)器中的功率消耗通常很小，所以通過它所引起的損耗功率保持很低。
在根據(jù)權(quán)利要求6的電路布置的一種改進(jìn)方案中，第一整流器元件、特別是一個二極管，在導(dǎo)通方向上與平滑電容器串聯(lián)地接入(einschleifen)在輸入電感同開關(guān)裝置的連接點與開關(guān)調(diào)節(jié)器的參考電位之間，其中第二電壓存在于第一整流器元件和平滑電容器的連接點處。在輸入電感和開關(guān)裝置的連接點處的電壓在工作中具有周期性的電壓尖峰，這些電壓尖峰基本上相應(yīng)于開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入電壓和輸出電壓的和。第二電壓由此借助第一整流器元件和平滑電容器而獲得，并且比開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入電壓或輸出電壓高。
在根據(jù)權(quán)利要求7的電路布置的一種改進(jìn)方案中，在開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入端子和存在第二電壓的節(jié)點之間接入第二整流器元件、特別是在導(dǎo)通方向上的二極管。當(dāng)輸入電壓被施加時，該第二整流器元件用于開關(guān)調(diào)節(jié)器的啟動。隨后可能還未出現(xiàn)的或太低的第二電壓可通過輸入電壓被替代，該輸入電壓通過第二整流器元件被連接。
在一種有利的電路實現(xiàn)中，根據(jù)權(quán)利要求8，負(fù)載元件構(gòu)成射極跟隨器或源極跟隨器。
在另一種有利的電路實現(xiàn)中，根據(jù)權(quán)利要求9，開關(guān)調(diào)節(jié)器被構(gòu)成為SEPIC變換器，反激變換器或反向變換器。借助這種變換器可以產(chǎn)生輸出電壓，它們根據(jù)要求高于或低于其輸入電壓。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，第二、特別是未被調(diào)節(jié)的電壓通過開關(guān)調(diào)節(jié)器被生成，用于第一控制元件的供電。
在根據(jù)權(quán)利要求11的方法的改進(jìn)方案中，第一和第二電壓被這樣產(chǎn)生，即第二電壓比第一電壓高。
在根據(jù)權(quán)利要求12的方法的改進(jìn)方案中，可控的負(fù)載元件這樣地通過第一控制單元控制，使得由第一電壓產(chǎn)生第三、被調(diào)節(jié)的電壓。
在根據(jù)權(quán)利要求13的方法的改進(jìn)方案中，第二控制元件被直接地或間接地通過第二電壓來供給，其中開關(guān)調(diào)節(jié)器通過該控制元件被內(nèi)部地控制。
在根據(jù)權(quán)利要求14的方法的改進(jìn)方案中，由第二電壓產(chǎn)生用于第一控制元件和/或第二控制元件的供電電壓。
本發(fā)明的有利的實施形式在附圖中被示出并且在以下被描述。在此示意性地示出了

圖1用于電壓供給的電路布置的方塊圖，圖2具有一個SEPIC類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器的、用于電壓供給的電路布置的電路圖以及圖3具有一個Flyback類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器的、用于電壓供給的電路布置的電路圖。
圖1示出了用于電壓供給的電路布置的方塊圖，具有一個開關(guān)調(diào)節(jié)器SR，它由輸入電壓UE產(chǎn)生第一、被調(diào)節(jié)的電壓UA1以及第二、未被調(diào)節(jié)的電壓UA2，還具有線性調(diào)節(jié)器LR。線性調(diào)節(jié)器LR包括可控制的負(fù)載元件LE，它被施加以開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第一電壓UA1；還包含控制元件AE用于控制負(fù)載元件LE?？刂圃嗀E這樣地控制負(fù)載元件LE，使得由開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第一電壓UA1產(chǎn)生具有小的剩余波紋的被調(diào)節(jié)的電壓UALR，該電壓可以用于未被示出的敏感的、后接的電路部分的供電。開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第二電壓UA2用于控制元件AE的供電。
在圖2中示出的電路布置中，圖1的開關(guān)調(diào)節(jié)器SR被構(gòu)造為SEPIC類型的變換器。開關(guān)調(diào)節(jié)器SR從由未被示出的電池提供的輸入電壓UESR產(chǎn)生一個被調(diào)節(jié)的輸出電壓UASR1，它可以被選擇高于或低于輸入電壓UESR。輸入電感L1和晶體管T1形式的開關(guān)裝置串聯(lián)地接入開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸入端子A1和地之間。晶體管T1通過控制單元SE以脈寬調(diào)制的信號控制。
為了產(chǎn)生控制信號，控制單元SE包括運算放大器OP1形式的誤差放大器(Fehlerverstrker)以及鋸齒波發(fā)生器SG。在運算放大器OP1的第一輸入端有第一參考電壓UR1，它用作用于開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸出電壓UASR1的額定值，并且在運算放大器OP1的第二輸入端有輸出電壓UASR1，它通過一個分壓器合適地向下分壓。晶體管T1的脈寬調(diào)制控制信號的占空因數(shù)被這樣地通過控制單元SE調(diào)節(jié)，使得產(chǎn)生該輸出電壓UASR1的所期望的值。此外在對于SEPIC類型的變換器通常的電路中，開關(guān)調(diào)節(jié)器SR還包括電容器C1和C2，電感L2和二極管D1。
為了產(chǎn)生第二、未被調(diào)節(jié)的輸出電壓UASR2，開關(guān)調(diào)節(jié)器SR包括另外的二極管D2形式的整流器元件以及平滑電容器C3，它們被串聯(lián)地接入輸入電感L1和第一晶體管T1的連接點N1與地之間，其中第二輸出電壓UASR2位于二極管D2和平滑電容器C3的連接點N2處。在輸入電感L1和晶體管T1的連接點N1處的電壓在工作中具有周期性的電壓尖峰，它們基本上相應(yīng)于開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸入電壓UESR和輸出電壓UASR1的和。由此，借助二極管D2和平滑電容器C3獲得開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第二輸出電壓UASR2并且比開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入電壓UESR和輸出電壓UASR1高。
在開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸入端A1和節(jié)點N2之間接入另外的二極管D3形式的、在導(dǎo)通方向上的一個另外的整流器元件。當(dāng)施加輸入電壓時，它用于啟動開關(guān)調(diào)節(jié)器。隨后可能還未出現(xiàn)的或太低的第二輸出電壓UASR2可以通過輸入電壓被替代，它通過二極管D3被連接。二極管D3是可選的并且可以根據(jù)要遵循的規(guī)范而被省略。
借助線性電壓調(diào)節(jié)器LR1由開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第二輸出電壓UASR2產(chǎn)生精確的、很小剩余波紋的、對于控制元件SE以及對于另外的線性電壓調(diào)節(jié)器LR2的控制元件的供電電壓，該控制元件在該例中通過運算放大器OP2構(gòu)成。若對于該供電電壓的質(zhì)量提出較低的要求時，電壓調(diào)節(jié)器LR1可以省略，并且第二供電電壓UASR2可以直接作為對于控制元件SE和運算放大器OP2的供電電壓。替代線性調(diào)節(jié)器LR1，也可以使用更簡單的穩(wěn)定電路。
線性調(diào)節(jié)器LR2用于產(chǎn)生系統(tǒng)電壓UALR2并且包括可控制的、NMOS晶體管T2形式的負(fù)載元件，該晶體管在其漏極端子上被施加以開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸出電壓UASR1；還包含運算放大器OP2，其輸出電壓用于控制晶體管T2。晶體管T2在開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的輸出電壓UASR1和線性調(diào)節(jié)器LR2的輸出電壓UALR2之間形成負(fù)載電流路徑。在運算放大器OP2的第一輸入端有一個參考電壓UR2，它用于調(diào)整輸出電壓UALR2。通過測量電阻RM截取的并且在需要時被向下分壓的輸出電壓UALR2在第二輸入端被反饋。因為運算放大器OP2以電壓調(diào)節(jié)器LR1的輸出電壓被供給，該輸出電壓比開關(guān)調(diào)節(jié)器的位于晶體管T2的漏極端子上的輸出電壓UASR1高，所以它同樣能夠提供高于輸出電壓UASR1的控制電壓。晶體管T2的最大柵極—源極電壓UGS例如可以根據(jù)所使用的技術(shù)而為5V。晶體管T2因此可以相應(yīng)地更小地確定尺寸。總的來說由此可以節(jié)省芯片面積，由此降低制造成本。
圖3示出了一個電路變型方案，其中開關(guān)調(diào)節(jié)器SR被構(gòu)造為所謂的反激變換器。因為所示的電路功能基本上與在圖2中示出的一致，因此以下僅僅闡述不同點。
在該實施例中，輸入電壓UESR直接用作控制單元SE的供電電壓，該輸入電壓在控制單元SE內(nèi)被轉(zhuǎn)化為合適的值。圖2的線性調(diào)節(jié)器LR1被省略并且開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的位于節(jié)點N2上的第二電壓UASR2直接用于線性電壓調(diào)節(jié)器LR2的運算放大器OP2的供應(yīng)。在圖2中示出的二極管D3被省略。第二電壓UASR2通過二極管D2以及電容器C3在由電感L1和L2構(gòu)成的變壓器的初級線圈處被分接。
在所示的這些實施例中，開關(guān)調(diào)節(jié)器SR的第二輸出電壓UA2或UASR2用于對線性電壓調(diào)節(jié)器LR或LR2的控制元件AE或運算放大器OP2供電。基于與開關(guān)調(diào)節(jié)器的第一輸出電壓UA1或UASR1相比更高的電壓UA2或UASR2，負(fù)載元件LE或晶體管T2可以被更小地確定尺寸。
然而本發(fā)明并不局限于所示的實施例。線性電壓調(diào)節(jié)器LR2例如可以通過電動機(jī)的調(diào)節(jié)器或驅(qū)動組件替代，其中作為負(fù)載元件的大功率晶體管以相同的方式通過合適的控制元件被控制。
開關(guān)調(diào)節(jié)器自然也可以一般地被實施為反向變換器。第二電壓在此如所示的那樣原則上借助整流器元件以及與地相連的電容器根據(jù)所使用的變換器類型或者在開關(guān)元件和電感之間的節(jié)點處或者在變壓器的初級線圈處被分接。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)地可實現(xiàn)的、例如用于機(jī)動車的電壓供給的電路布置，因為所使用的負(fù)載元件基于其改進(jìn)的控制可以更小地確定尺寸并且越過寬的輸入電壓范圍保證驅(qū)動的安全性。
權(quán)利要求
1.用于電壓供給的電路布置，具有-一個開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)，用于產(chǎn)生一個第一、被調(diào)節(jié)的電壓(UA1，UASR1)；-一個可控的負(fù)載元件(LE，T2)，它被施加以該第一被調(diào)節(jié)的電壓(UA1，UASR1)；以及一個第一控制元件(AE，OP2)，用于控制該負(fù)載元件(LE，T2)，其特征在于，-該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)被設(shè)置用于產(chǎn)生一個第二、特別是未被調(diào)節(jié)的電壓(UA2，UASR2)，該電壓直接地或間接地用作用于該第一控制元件(AE，OP2)的供電電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路布置，其特征在于，該第二電壓(UA2，UASR2)比該第一電壓(UA1，UASR1)大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電路布置，其特征在于，該可控的負(fù)載元件(LE，T2)以及該第一控制元件(AE，OP2)構(gòu)成一個第一、線性的電壓調(diào)節(jié)器(LR，LR2)，用于由該第一電壓(UA1，UASR1)產(chǎn)生一個第三、被調(diào)節(jié)的電壓(UALR，UALR2)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，該開關(guān)調(diào)節(jié)器包括一個第二控制元件(SE)，并且該第二電壓(UA2，UASR2)直接或間接地用作用于該第二控制元件(SE)的供電電壓。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，具有一個第二電壓調(diào)節(jié)器(LR1)，它由該第二電壓(UA2，UASR2)產(chǎn)生用于該第一控制元件(AE，OP2)和/或一個第二控制元件(SE)的供電電壓。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，一個第一整流器元件(D2)在導(dǎo)通方向上和一個平滑電容器(C3)串聯(lián)地接入一個輸入電感(L1)同一個開關(guān)裝置(T1)的連接點(N1)與該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)的一個參考電位之間，其中該第二電壓(UA2，UASR2)存在于第一整流器元件(D2)和平滑電容器(C3)的連接點(N2)上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，在該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)的輸入端(A1)和存在該第二電壓(UA2，UASR2)的節(jié)點(N2)之間接入一個在導(dǎo)通方向上的第二整流器元件(D3)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，該負(fù)載元件構(gòu)成一個射極跟隨器或源極跟隨器。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的電路布置，其特征在于，該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)被構(gòu)造為SEPIC類型的變換器、反激變換器或者反向變換器。
10.用于產(chǎn)生供電電壓的方法，其中-通過一個開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)產(chǎn)生一個第一、被調(diào)節(jié)的電壓，并且-一個可控的負(fù)載元件(LE，T2)被施加以該第一被調(diào)節(jié)的電壓(UA1，UASR1)并且被一個第一控制元件(AE，OP2)控制，其特征在于，-通過該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)產(chǎn)生一個第二、特別是未被調(diào)節(jié)的電壓(UA2，UASR2)，用于該第一控制元件(AE，OP2)的供電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，該第一和第二電壓被這樣產(chǎn)生，即該第二電壓(UA2，UASR2)比該第一電壓(UA1，UASR1)大。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其特征在于，該可控的負(fù)載元件(LE，T2)這樣地通過該第一控制單元(AE，OP2)控制，使得由該第一電壓(UA2，UASR2)產(chǎn)生一個第三、被調(diào)節(jié)的電壓(UALR，UALR2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12之一的方法，其特征在于，一個第二控制元件(SE)直接地或間接地通過該第二電壓(UA1，UASR1)被供電，其中該開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)通過該第二控制元件(SE)被內(nèi)部地控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13之一的方法，其特征在于，由該第二電壓(UA2，UASR2)產(chǎn)生用于該第一控制元件(AE，OP2)和/或該第二控制元件(SE)的供電電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電壓供給的電路布置，具有一個開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)，用于產(chǎn)生成第一、被調(diào)節(jié)的電壓(UASR1)；一個可控的負(fù)載元件(T2)，它被施加以第一被調(diào)節(jié)的電壓(UA1，UASR1)；以及一個第一控制元件(OP2)，用于控制負(fù)載元件(T2)；以及涉及用于產(chǎn)生供電電壓的方法。根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)調(diào)節(jié)器(SR)被設(shè)置用于產(chǎn)生第二、特別是未被調(diào)節(jié)的電壓(UASR2)，該電壓直接地或間接地用作用于第一控制元件(OP2)的供電電壓。本發(fā)明的電路布置和方法例如用在機(jī)動車中的電氣組件的基于電池的電壓供給中。
文檔編號H02M3/156GK1836194SQ200480023412
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
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